Biochimie: réactions cellulaires.
James N. Sturgis
Département de BiologieAix-Marseille Université,
Marseille, France
Luminy, Septembre 2018
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 1 / 176
Introduction
Contenu
La Biochimie Cellulairele métabolismele couplagela régulation
Les protéinesleur structureleur fonction
Les enzymesleur cinétiqueleurs mécanismes
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Introduction
Organization
Les cours (James Sturgis et Laurent Aussel)Les TD : Exercises d’applicationLes TP : La Biochimie c’est une science experimentale
L’évaluation : CC(TP-participation et TP-compte rendu)L’évaluation : Examen terminal (cours et TD)L’évaluation : Note Finale = ET 0.8 + CC 0.2L’évaluation : Deuxieme session un examen.
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Introduction
Organization
Les cours (James Sturgis et Laurent Aussel)Les TD : Exercises d’applicationLes TP : La Biochimie c’est une science experimentaleL’évaluation : CC(TP-participation et TP-compte rendu)L’évaluation : Examen terminal (cours et TD)L’évaluation : Note Finale = ET 0.8 + CC 0.2
L’évaluation : Deuxieme session un examen.
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Introduction
Organization
Les cours (James Sturgis et Laurent Aussel)Les TD : Exercises d’applicationLes TP : La Biochimie c’est une science experimentaleL’évaluation : CC(TP-participation et TP-compte rendu)L’évaluation : Examen terminal (cours et TD)L’évaluation : Note Finale = ET 0.8 + CC 0.2L’évaluation : Deuxieme session un examen.
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Introduction
Resources
Livres (Biochimie ou Biochemistry) par exemple Berg Tymoczoco etStryer BTS.Diaporamas (http ://lism.cnrs-mrs.fr/JS_files/Teaching/index.html)
Exercises (http ://lism.cnrs-mrs.fr/JS_files/Teaching/index.html)
Annales (http ://lism.cnrs-mrs.fr/JS_files/Teaching/index.html)
Questions ? [email protected]
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Introduction
Cours 1 : Introduction
Les molecules du vivant (revision).Les êtres vivantes font de la chimie.La fermentation alcoolique - biologie ou chimie.Anabolisme Catabolisme et Metabolisme.Couplage en biochimie
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)
nucleotides (BTS 4.1)acides aminés (BTS 2.1)acides gras (BTS 12.1)vitaminesautres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)
acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)protéines (BTS 2.2)lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)nucleotides (BTS 4.1)
acides aminés (BTS 2.1)acides gras (BTS 12.1)vitaminesautres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)
protéines (BTS 2.2)lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)nucleotides (BTS 4.1)acides aminés (BTS 2.1)
acides gras (BTS 12.1)vitaminesautres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)protéines (BTS 2.2)
lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)nucleotides (BTS 4.1)acides aminés (BTS 2.1)acides gras (BTS 12.1)
vitaminesautres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)protéines (BTS 2.2)lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)nucleotides (BTS 4.1)acides aminés (BTS 2.1)acides gras (BTS 12.1)vitamines
autres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)protéines (BTS 2.2)lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Classes de molécules
Petites moléculesglucides (BTS 11.1)nucleotides (BTS 4.1)acides aminés (BTS 2.1)acides gras (BTS 12.1)vitaminesautres
Grande moléculespolysaccharides (BTS 11.1)acides nucléiques (BTS 4.1,4.2)protéines (BTS 2.2)lipides (BTS 12.2)
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Les molécules de la vie
Parfois c’est difficile
Autre comme taxol,Lipide avec des chaines grasses,polysaccharide avec des oses.
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Les molécules de la vie
Parfois c’est difficile
Autre comme taxol,
Lipide avec des chaines grasses,polysaccharide avec des oses.
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Les molécules de la vie
Parfois c’est difficile
Autre comme taxol,Lipide avec des chaines grasses,
polysaccharide avec des oses.
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Les molécules de la vie
Parfois c’est difficile
Autre comme taxol,Lipide avec des chaines grasses,polysaccharide avec des oses.
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Couplage Conversions Biologiques
Ce qui est nouveau
La vie est plus que la somme de ses composants.Les cellules et les molécules sont dynamiques . . .
leurs interconversionsleur cinétiquela régulationles méthodes d’étude.
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Des êtres vivants qui font desconversions.Couplage avec la croisance.L’herbe en methane et viande
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Des êtres vivants qui font desconversions.Couplage avec la croisance.La lumiere, CO2 et eau enplante
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Des êtres vivants qui font desconversions.Couplage avec la croisance.Eau sale en eau propre etbactéries
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Des êtres vivants qui font desconversions.Couplage avec la croisance.Or dissout en pepites d’or etbactéries
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Dans une brasserie . . .
La levure fabrique de l’alcool apartir des sucres.Les sucres (amidon) presentdans les grains d’orge.Sont convertis à l’alcool de labierre.C’est de la chimie ! voir labiochimie !
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Dans une brasserie . . .La levure fabrique de l’alcool apartir des sucres.
Les sucres (amidon) presentdans les grains d’orge.Sont convertis à l’alcool de labierre.C’est de la chimie ! voir labiochimie !
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Dans une brasserie . . .La levure fabrique de l’alcool apartir des sucres.Les sucres (amidon) presentdans les grains d’orge.
Sont convertis à l’alcool de labierre.C’est de la chimie ! voir labiochimie !
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Dans une brasserie . . .La levure fabrique de l’alcool apartir des sucres.Les sucres (amidon) presentdans les grains d’orge.Sont convertis à l’alcool de labierre.
C’est de la chimie ! voir labiochimie !
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Couplage Conversions Biologiques
Quelques conversions
Dans une brasserie . . .La levure fabrique de l’alcool apartir des sucres.Les sucres (amidon) presentdans les grains d’orge.Sont convertis à l’alcool de labierre.C’est de la chimie ! voir labiochimie !
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre+Levure −→ Alcool
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre −→ Alcool
Levure
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre −→ Alcool+CO2
Levure+H2O
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre −→ Alcool+CO2
Levure+H2O(CH2O)n C2H6O + CO2
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre −→ Alcool+CO2
Levure+H2O(CH2O)3n nC2H6O + nCO2
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
On peut aprofondir un peu la reaction chimique faite par les levures.
Une reaction chimiqueSucre −→ Alcool+CO2
Levure+H2O(CH2O)3n nC2H6O + nCO2
C’est de la chimie organique.Mais ce n’est pas tout. . . si on regardait dans le flacon avec unmicroscope ?
Une reaction biologiqueLevure + Glucose −→ 2xLevures
et en plus la temperature augmente.
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Couplage Conversions Biologiques
La chimie biologique
Production d’alcool et CO2 apartir de sucre.Production de levure a partir desucre.Deux réactions couplées.Generation de chaleur (réactionexergonique).
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Couplage Conversions Biologiques
Deux processus couplés
Utilisation de glucides commefioul pour la cellule etproduction de dechets (d’alcoolet CO2).Production de nouveaux levuresa partir de sucre en utilisant“l’energie” derivé.
Glucose
Protéines etc.
Alcool et CO2
Deux processus couplés
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Couplage Conversions Biologiques
Deux processus couplés
Utilisation de glucides commefioul pour la cellule etproduction de dechets (d’alcoolet CO2).“Catabolisme”Production de nouveaux levuresa partir de sucre en utilisant“l’energie” derivé.“Anabolisme”
Glucose
Protéines etc.
Alcool et CO2
Deux processus couplésMétabolisme
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Couplage Conversions Biologiques
. . . et si on tuait des cellules ?
Ceci fut une des premiers experiences de biochimie fait par Hans etEdouard Büchner en 1897 et pousse un peu plus loin par Harden et Youngen 1905.Une reaction biologique
Sucre −→ Alcool + CO2Levure chaleur
Sucre −→ Levure
Une reaction biochimiqueSucre −→
Levure(mort)Sucre −→
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Couplage Conversions Biologiques
. . . et si on tuait des cellules ?
Ceci fut une des premiers experiences de biochimie fait par Hans etEdouard Büchner en 1897 et pousse un peu plus loin par Harden et Youngen 1905.Une reaction biologique
Sucre −→ Alcool + CO2Levure chaleur
Sucre −→ Levure
Une reaction biochimiqueSucre −→ Alcool + CO2
Levure(mort) 2 x chaleurSucre −→
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Couplage Conversions Biologiques
. . . et si on tuait des cellules ?
Métabolisme déregulé dans lescellules mortes.Le suc de levure est capable àfaire de la chimie.Normalement le couplage entre“anabolisme” et “catabolisme”conserve de l’énergie.
PhilosophieQu’es la vie ?Pourquoi cette decouplage ?
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Couplage Conversions Biologiques
Les enzymes
Les catalyseurs présente dans lesuc de levure sont les“Enzymes”.Elles sont normalement desprotéines.Les enzymes ont souvent unpouvoir catalytiqueimpressionante.Parfois elles ont besoin de“cofacteurs” ou “co-enzymes” Structure d’une enzyme TIM
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.
Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.Liées par :
Les macromoléculesbiologiques
Les petits moléculesLes molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.
Liées par :Les macromoléculesbiologiques
Les petits moléculesLes molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.Liées par :
Les macromoléculesbiologiques
Les petits moléculesLes molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.Liées par :
Les macromoléculesbiologiquesLes petits molécules
Les molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.Liées par :
Les macromoléculesbiologiquesLes petits moléculesLes molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Liens entre catabolisme et anabolisme
Catabolisme, utilisation de fioul.Anabolisme, fabrication denouvelles molecules de la vie.Liées par :
Les macromoléculesbiologiquesLes petits moléculesLes molécules de couplageATP et NADH
Quelques autres processusbiologiques fabriquent desmolécules de couplage.
Le métabolisme
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
ATP : l’énergie de la cellule
Structure de l’Adenosine triphosphate
Les cellules utilisent ATP commeargent énergetique.
C’est quoi cette molécule ?
Pourquoi c’est si utile ?Comment est stockée l’énergie ?
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
ATP : l’énergie de la cellule
Structure de l’Adenosine triphosphateATP peut etre hydrolyzé en ADP et PO4
Les cellules utilisent ATP commeargent énergetique.
C’est quoi cette molécule ?Pourquoi c’est si utile ?
Comment est stockée l’énergie ?
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
ATP : l’énergie de la cellule
Structure de l’Adenosine triphosphateATP peut etre hydrolyzé en ADP et PO4Beaucoup d’énergie 29.2 kJ mol−1 (∆Go′)
Les cellules utilisent ATP commeargent énergetique.
C’est quoi cette molécule ?Pourquoi c’est si utile ?Comment est stockée l’énergie ?
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions et ATP
Une reaction spontanéeSucre −→ Alcool + CO2
La conversion de sucre en alcool et CO2
Une reaction de couplageATP + H2O −→ ADP + PO4
L’hydrolyse d’ATP est spontanée.
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions et ATP
Une reaction spontanéeSucre −→ Alcool + CO2
La conversion de sucre en alcool et CO2
Une reaction de couplageADP + PO4 −→ ATP + H2O
L’hydrolyse d’ATP est spontanée. La synthèse d’ATP n’est pas spontanée.
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions et ATP
Dans la biologie la réaction spontanée et non-spontanée sont coupléespour donner une ensemble spontanée.
Une reaction coupléeSucre Alcool + CO2
−→ADP + PO4 ATP + H2O
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions et ATP
Dans la biologie la réaction spontanée et non-spontanée sont coupléespour donner une ensemble spontanée.
Une reaction coupléeSucre Alcool + CO2
−→ADP + PO4 ATP + H2O
Conservation de l’énergie.
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions
Des reactions couplées : CatabolismeGrandes molécules Petites molécules
−→ADP + PO4 ATP + H2O
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage des réactions
Des reactions couplées : CatabolismeGrandes molécules Petites molécules
−→ADP + PO4 ATP + H2O
Des reactions couplées : AnabolismeATP + H2O ADP + PO4
−→Petites molécules Grandes molécules
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
NAD : une autre molécules de couplage
Structure de NAD+
C’est quoi cette molécule ?
Pourquoi c’est si utile ?
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 22 / 176
Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
NAD : une autre molécules de couplage
Structure de NAD+
C’est quoi cette molécule ?ADP avec une autre commebase “nicotinamide”.
Pourquoi c’est si utile ?
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 22 / 176
Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
NAD : une autre molécules de couplage
NAD+ peut etre réduit en NADH
C’est quoi cette molécule ?ADP avec une autre commebase “nicotinamide”.Pourquoi c’est si utile ?
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 22 / 176
Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
NAD : une autre molécules de couplage
NAD+ peut etre réduit en NADH
C’est quoi cette molécule ?ADP avec une autre commebase “nicotinamide”.Pourquoi c’est si utile ?NADH est comme H2 maismoins dangereuxStockage de pouvoir réducteur
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage et NAD+
Des reactions couplées : CatabolismeGrandes molécules Petites molécules
(réduites) −→ (oxidées)NAD+ NADH
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Couplage et NAD+
Des reactions couplées : CatabolismeGrandes molécules Petites molécules
(réduites) −→ (oxidées)NAD+ NADH
Des reactions couplées : AnabolismeNADH NAD+
−→Petites molécules Grandes molécules
(oxidées) (réduits)
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Autres sources des molécules de couplage
PhotosyntheseADP + PO4
−→ ATPlumiere
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 24 / 176
Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Autres sources des molécules de couplage
PhotosyntheseADP + PO4
−→ ATPlumiere
HydrogenaseNAD+
−→ NADH + H+
H2
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Couplage Molécules de couplage (BTS 15.2)
Cours 1 : Conclusions
Les molécules de la vie participent dans des réactions.Les organismes utilisent des fiouls pour faire de nouveaux organismes.Les differents réactions biochimiques d’une cellule sont couplées.Les couples ADP + Pi/ATP et NADH + H+ / NAD+ jouent desrôles importants.
J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 25 / 176